- 頭條多相整流永磁同步發電機繞組內部相間短路的故障分析2021-05-17 作者：田代宗 孫宇光 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室（清華大學電機系）的研究人員田代宗、孫宇光、王善銘、杜威，在2020年第6期《電工技術學報》上撰文，將多回路法與有限元法相結合，建立了多相整流永磁同步發電機系統繞組內部相間短路的通用數學模型，可計算永磁電機正常及繞組內部故障工況的電氣量分布，不僅適用于每相單分支的多相電機，還適用于每相多分支的情況。 在準確計算繞組電流的基礎上，進一步計算了故障前后樣機內部的溫度場分布，結果表明故障導致樣機內部溫度不再均勻分布。根據仿真和實驗結果，分析了該樣機相間短路的故障特點，并說明了短路點附近明顯升溫對永磁電機的嚴重影響以及不同組三相繞組間相間短路引起整流橋中某些二極管過電流的潛在危害。該項研究為多相永磁同步發電機內部相間短路故障檢測提供了依據。
多相整流發電機提供的直流電源，具有直流脈動小、電磁干擾小、可靠性高和效率高等優點，已廣泛應用于航空航天、船舶推進等移動平臺。作為各種移動體（如飛機、艦船）電源的核心部分，多相發電機帶整流系統的安全運行至關重要。由于常用于移動體中，發電機運行的工況和外界環境都比較復雜，在這些復雜條件的作用下，系統更容易出現故障，不僅可能損壞電機，甚至可能直接威脅乘客或工作人員的安全，造成嚴重事故。
目前對多相同步發電機整流系統的故障研究主要集中在電勵磁電機。對于永磁同步發電機，雖然轉子上沒有繞組，結構比電勵磁電機簡單，但各種材料、形狀和安裝位置的永磁體產生的磁場卻比電勵磁電機復雜，而且繞組內部短路故障還會使磁場發生畸變，進一步增大了計算分析的難度。
此外，一旦檢測到短路故障，電勵磁電機在停機操作中可采取滅磁措施，以減小停機過程中對電機的損害；而永磁電機由于無法直接調節永磁體產生的磁場，只能逐漸降低轉速直至故障電機停機。在停機過程中繞組內部一直存在較大的短路電流，可能燒毀電機，所以對短路故障檢測的快速性要求更高。因此，對永磁發電機定子內部短路故障的研究更有必要。
發電機定子內部短路故障包括匝間短路故障和相間短路故障。目前對三相永磁電機匝間短路故障的研究已經比較深入，但這些研究僅針對傳統三相永磁電機的定子繞組匝間短路故障，缺乏對內部相間短路故障的研究，并且基本不涉及整流負載。而相間短路故障比匝間短路故障的破壞性更強，所以本文將主要針對多相整流永磁同步發電機系統定子內部相間短路故障進行深入研究，為及時發現并排除故障提供依據。
現有文獻中對多相永磁同步發電機整流系統及其故障的研究還不夠全面，建立的數學模型僅限于某種特定的多相電機。為了具有更廣泛的適用性，本文將多回路分析法與有限元法相結合，建立了多相多分支永磁同步發電機帶整流負載系統定子繞組內部相間短路故障的通用數學模型，不僅適用于每相單分支的十二相等多相電機，還適用于每相多分支的情況（比如六相雙分支電機）。
圖1 相間短路示意圖
圖2 數學模型的迭代仿真流程
圖3 故障前后電機內部溫度場分布
本文在一臺六相雙分支永磁同步發電機樣機上進行了實驗，驗證了該數學模型的正確性。在此基礎上，還分析了實驗樣機故障前后的溫度場分布。最后結合仿真和實驗，分析了樣機定子繞組相間短路的故障特點及危害，可為故障的及時檢測提供依據。
實驗和仿真結果表明，發生相間短路故障后，六相整流永磁同步發電機的相電流和分支電流中會出現正常時沒有的3次等諧波分量；短路回路中會出現較大的短路電流，主要包含基波、3次等奇數次諧波；直流側電壓、電流中除正常時存在的12次諧波外，還出現了2次等偶數次諧波，嚴重影響了供電品質。發生在不同橋間的內部相間短路，會在整流元件中產生過電流，將影響整流橋的使用壽命。
同時，故障后電機整體溫度會上升且不再均勻分布，特別是短路回路所在繞組，溫度明顯升高，可能使相間短路故障進一步惡化。所以有必要及時采取監測或保護等措施，保障系統安全、穩定運行。
以上研究成果發表在2020年第6期《電工技術學報》，論文標題為“多相整流永磁同步發電機繞組內部相間短路的故障分析”，作者為田代宗、孫宇光、王善銘、杜威。
